Un système de poulie simple. Si vous avez déjà regardé au bout d'une grue, ou si vous avez déjà utilisé un palan à moteur ou un come-along, ou si vous avez déjà regardé le gréement d'un voilier, alors vous avez vu un bloc et un tacle au travail. Un palan est un arrangement de corde et de poulies qui vous permet d'échanger la force contre la distance. Dans cette édition de Comment les choses fonctionnent nous verrons comment fonctionne un bloc et un tacle, et examinez également plusieurs autres dispositifs de multiplication de force !
Imaginez que vous disposez d'un poids de 100 livres (45,4 kilogrammes) suspendu à une corde, comme montré ici.
Dans cette figure, si vous allez suspendre le poids dans l'air, vous devez appliquer une force ascendante de 100 livres à la corde. Si la corde mesure 100 pieds (30,5 mètres) de long et que vous souhaitez soulever le poids jusqu'à 100 pieds, vous devez tirer 100 pieds de corde pour le faire. C'est simple et évident.
Imaginez maintenant que vous ajoutez une poulie au mélange.
Cela change-t-il quelque chose ? Pas vraiment. La seule chose qui change est la direction de la force que vous devez appliquer pour soulever le poids. Vous devez toujours appliquer 100 livres de force pour maintenir le poids en suspension, et vous devez toujours enrouler 100 pieds de corde pour soulever le poids de 100 pieds.
La figure suivante montre la disposition après l'ajout d'une deuxième poulie :
Cet arrangement change réellement les choses d'une manière importante. Vous pouvez voir que le poids est maintenant suspendu par deux poulies au lieu d'une. Cela signifie que le poids est réparti également entre les deux poulies, donc chacun ne porte que la moitié du poids, ou 50 livres (22,7 kilogrammes). Cela signifie que si vous voulez maintenir le poids en suspension dans l'air, vous n'avez qu'à appliquer 50 livres de force (le plafond exerce les autres 50 livres de force à l'autre extrémité de la corde). Si vous voulez soulever le poids 100 pieds plus haut, Ensuite, vous devez enrouler deux fois plus de corde. 0 à 200 pieds de corde doivent être tirés. Cela démontre un compromis force-distance. La force a été réduite de moitié mais la distance sur laquelle la corde doit être tirée a doublé.
Le schéma suivant ajoute une troisième et une quatrième poulie à l'arrangement :
Dans ce schéma, la poulie attachée au poids est en fait constituée de deux poulies distinctes sur le même arbre, comme indiqué à droite. Cet arrangement réduit la force de moitié et double à nouveau la distance. Pour maintenir le poids en l'air, vous devez appliquer seulement 25 livres de force, mais pour soulever le poids 100 pieds plus haut dans les airs, vous devez maintenant enrouler 400 pieds de corde.
Un palan peut contenir autant de poulies que vous le souhaitez, bien qu'à un moment donné, la quantité de friction dans les arbres de poulie commence à devenir une source importante de résistance.
Vous entrez en contact avec des compromis force/distance dans toutes sortes de machines simples. Par exemple, un levier est un exemple de ce phénomène :
Dans ce diagramme, une force F est appliquée à l'extrémité gauche du levier. L'extrémité gauche du levier est deux fois plus longue (2X) que l'extrémité droite (X). Par conséquent sur l'extrémité droite du levier une force de 2F est disponible, mais il agit sur la moitié de la distance (Y) que l'extrémité gauche se déplace (2Y). La modification des longueurs relatives des extrémités gauche et droite du levier modifie les multiplicateurs.
Les engrenages peuvent faire la même chose :
Dans ce schéma, l'engrenage de gauche a deux fois le diamètre de l'engrenage de droite. Pour chaque tour de vitesse à gauche, la vitesse de droite tourne deux fois. Si vous appliquez une certaine quantité de couple à l'engrenage gauche sur une rotation, le pignon de droite exercera deux fois moins de couple mais fera deux tours.
Un autre bon exemple est un système hydraulique simple, comme indiqué ci-dessous:
Supposons que vous ayez deux cylindres pleins d'eau avec un tuyau reliant les deux cylindres ensemble comme indiqué. Si vous appliquez une force F sur le piston gauche, il crée une pression dans le cylindre de gauche. Disons que vous appliquez une force descendante de 10 livres au cylindre de gauche. Disons aussi que le rayon du cylindre de gauche est de 0,57 pouce. Par conséquent, la surface du piston gauche est Pi * 0,57 * 0,57 =1 pouce carré. Si le rayon du cylindre droit est 4 fois plus grand, ou 2,28 pouces, alors la surface du piston droit est de 16 pouces carrés, ou 16 fois plus. Si vous poussez le piston gauche sur 16 pouces avec une force de 10 livres, alors le piston droit montera de 1 pouce avec une force de 160 livres. Des vérins hydrauliques de toutes sortes profitent chaque jour de ce simple effet multiplicateur de force.
Vous pouvez voir qu'un bloc et un tacle, un levier, un train d'engrenages et un système hydraulique font tous la même chose :ils permettent d'amplifier une force en diminuant proportionnellement la distance sur laquelle la force amplifiée peut agir. Il s'avère que ce genre de multiplication de force est une capacité extrêmement utile ! Voici quelques-uns des appareils qui utilisent ces principes simples :
Publié à l'origine :1er avril 2000
